Development and validation of a 3D computional tool to describe damage and fracture due to Alcali-Silica Reaction in concrete structures

par Isabelle Comby Peyrot

Thèse de doctorat en Mécanique numérique

Sous la direction de François Bay.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Développement et validation d’un outil numérique tridimensionnel pour décrire l’endommagement et la fissuration causés par la Réaction Alcali-Silice dans les structures en béton


  • Résumé

    La Réaction Alcali-Silice (RAS) est une réaction chimique de dégradation des bétons occasionnant des désordres irréversibles au niveau de l’ouvrage. La modélisation de l’endommagement et de la fissuration d’une structure en béton tridimensionnelle victime de la RAS est donc de première importance en génie civil. Le logiciel FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) a été développé dans ce cadre, afin de modéliser le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. Dans cette thèse, nous avons développé une approche mésoscopique où le béton est considéré comme un matériau biphasé en présence de granulats et d’une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite a ainsi été implémenté et validé dans notre code Eléments Finis pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier. Nous abordons ensuite l’identification des paramètres élastiques et d’endommagement de ce modèle. Une attention particulière est portée à la campagne expérimentale menée au département Génie Civil de l’Ecole des Mines de Douai. Ces résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques via le module d’analyse inverse «RheOConcrete ». Des tests de compression, flexion trois points, essais brésiliens ont été ainsi réalisés. Les exemples d’applications proposés montrent l’influence du volume, de la répartition et du diamètre des granulats sur le comportement du béton. Nous utilisons ces résultats pour analyser les conséquences mécaniques de la RAS sur une éprouvette en béton. Les résultats numériques d’un béton soumis à un gonflement granulaire sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus à l’Ecole des Mines de Douai. Cela permet de vérifier non seulement la cohérence du modèle numérique mais aussi de mieux comprendre l’influence de certains paramètres sur le mécanisme de la RAS. Enfin, nous soulignons l’importance de décrire avec précision les macrofissures générées par la réaction chimique. La dernière partie du mémoire concerne l’implémentation et la validation de la fissuration discrète en trois dimensions.


  • Résumé

    The Alkali-Silica Reaction (ASR) induces aggregates swelling leading to irreversible degradation of concrete structures. Modelling damage and cracks in a 3D concrete structure submitted to ASR is hence of prime importance in civil engineering. FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) software has been developed within this framework to model 3D numerical concrete. In this thesis, we have developed a mesoscale approach where concrete is considered as a heterogeneous material with two main phases: the mortar paste and aggregates. An elastic damage law has been successfully implemented to take into account the mortar paste behavior. The non local Mazars model with an implicit formulation is hence used to deal with damage. This model requires determining elastic and damage parameters. In this way, an experimental campaign has been carried out at the Civil Engineering Department of the Ecole des Mines de Douai to identify concrete material parameters. These experimental results have been compared with numerical ones through the inverse analysis modulus RheOConcrete. Applications on concrete (compression tests, three point bending tests and “Brazilian” splitting tests) have been also performed. The influence of the distribution, diameters and volume of aggregates on concrete behavior has been studied. The comparison between the numerical global responses of a concrete sample submitted to ASR and experimental ones are available. These comparisons are based on previous experimental works carried out at the Ecole des Mines de Douai. It leads to compare numerical and experimental approaches and to better understand the mechanism of ASR under the control of some parameters. Finally, we have underlined the importance of describing macrocracks in concrete sample with a great accuracy to improve the model. The last part of this project concerns the implementation and the validation of a 3D Discrete Crack Propagation technique to model explicitly 3D crack propagation.

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  • Détails : 1 vol. (233 p.)
  • Annexes : Bibliographie 233 réf.

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